algen

Een algenvirus injecteert een groene alg met virus-DNA. Bron: Meints en al., Virology (1984)

Algenvirus tast hersens aan

2 reacties / Ideeën en techniek, Visionaire vragen, Wereld, Wetenschap / Door / 4 november 2014

In een zeer onverwachte ontdekking, blijkt het chlorovirus ATCV-1, dat leeft op een algensoort, te leiden tot 10% minder visuele verwerking dan bij gezonde mensen. Het effect is gerepliceerd in muizen. Is dit het topje van de ijsberg?

Wat zijn algen?
Algen, vrijlevende eencellige planten (hoewel er enkele meercellige soorten bestaan, zoals zeewiersoorten), vormen de onderkant van de voedselketen in de oceanen. Dit fytoplankton wordt weer gegeten door zoöplankton, dat weer wordt gegeten door visselarven en andere kleine dieren. Algen, het moge duidelijk zijn, verschillen biologisch radicaal van de mens: de kleinste gemeenschappelijke taxonomische groep waarin algen en mensen voorkomen zijn de eukaryoten, organismen met een celkern en hiermee een van de drie grote levensdomeinen.

Een algenvirus injecteert een groene alg met virus-DNA. Bron: Meints en al., Virology (1984)
Een algenvirus injecteert een groene alg met virus-DNA. Bron: Meints en al., Virology (1984)

Wat is ontdekt?
In een groep van 92 psychiatrische patiënten werd in 43 van hen het virus aangetroffen in hun keelslijm. Deze groep besmette mensen bleek 10% slechter in staat om visuele problemen op te lossen dan niet-besmette leden van de groep geteste mensen[1]. Vanzelfsprekend kan dit ook door andere dingen komen die mensen die algenvirusdeeltjes binnenkrijgen vermoedelijk gemeen hebben, zoals blootstelling aan toxische stoffen uit een mariene omgeving, denk aan zware metalen of algatoxines van de gastheer-alg Acanthocystis turfacea. Vandaar dat de proef een vervolg kreeg bij muizen. Een groep werd met virusvrije algen gevoerd, een andere groep met besmette algen. Of sprake van besmetting was, werd door middel van DNA-testen vastgesteld bij de proefdieren. En inderdaad: ook hier werd een vermindering van hersencapaciteit aangetoond: doolhofleren nam af met 10% en de dieren besteedden 20% minder tijd aan het verkennen van nieuwe dingen. Hiermee is voldaan aan enkele eisen van het postulaat van Koch. Er is een ondubbelzinnig verband aangetoond tussen de ziekteverwekker en de ziektesymptomen.

Wat is het werkingsmechanisme?
De onderzoekers maten dat van enkele genen de activiteit veranderde. Deze genen hebben te maken met synaptische plasticiteit (aanpassingsvermogen van verbindingen tussen zenuwcellen), leren, het vastleggen van herinneringen en de immuunrespons op de blootstelling aan virussen.[2]

Waarom tast het virus de hersens van zoogdieren aan?
Er zijn verschillende redenen te bedenken waarom het virus deze effecten heeft. Toeval lijkt uit te sluiten. Daarvoor is de ingreep in het zenuwstelsel te effectief en doelgericht. Waarom gedraagt het virus zich zoals het doet, wat leverde de evolutionaire druk op het virus om zich op het zenuwstelsel van een toaal verschillend organisme te richten?

Het virus leeft, zo lijkt het, exclusief op algensoorten. Algen worden bejaagd door zoöplankton, dat weer bejaagd wordt door vissenlarven etc.
Een virus, zoals alle parasieten, gedijt bij een zo groot mogelijke gastheerpopulatie. Ook heeft het virus behoefte aan een  effectieve verspreiding.

Mensen als onbedoelde slachtoffers in virusoorlog tegen vissen?
Het lijkt logisch te veronderstellen dat het virus ‘probeert’ de activiteit van de vijfde trofische laag, dat wil zeggen vissen, die de jagers op zoöplankton bejagen, te verminderen. Immers, hoe slechter deze vissen worden in jagen, hoe meer er op het zoöplankton wordt gejaagd en hoe meer de algen, en dus virussen die op algen leven, de kans krijgen. Ook is het niet onaannemelijk, dat vissen die minder tijd besteden aan jagen, meer migreren, dus virusdeeltjes verder verspreiden.

Vissen zijn biologisch gezien een zeer diverse groep. Alle zoogdieren, vogels, reptielen en amfibieën zijn, biologisch gezien, kwastvinnige vissen. In feite zijn wij nauwer verwant met de kwastvinnige coelacanth, dan de coelacanth is met niet-kwastvinnige vissen. Wij stammen met alle andere zoogdieren (en reptielen, en amfibieën) af van de klauterende kwastvinnige vis Tiktaalik, die aan land kroop. Met andere woorden: een breed-spectrum virus dat het brein van alle vissen manipuleert, zou ook heel goed de breinen van zoogdieren zoals mensen en muizen kunnen manipuleren.

Om deze hypothese te testen, zou het effect van het virus op vissen moeten worden uitgetest. Ook zal moeten worden uitgezocht of de verspreiding van het virus wordt bevorderd door ‘dommere’ vissen.

Bronnen
1. Robert H. Yolken et al., Chlorovirus ATCV-1 is part of the human oropharyngeal virome and is associated with changes in cognitive functions in humans and mice, PNAS (2014)
2.  Algal virus found in humans, slows brain activity, Science Magazine, 2014

Closterium moniliferum is in staat actief strontium op te nemen. Bron: Napier, UK

Algen verwijderen radioactieve isotoop uit water

Laat een reactie achter / Wereld, Wetenschap / Door / 25 oktober 2011

Er komen ruwweg drie soorten radioactieve isotopen vrij: kortlevende, langlevende en isotopen met een middellange levensduur, de gevaarlijkste groep. Algen kunnen nu in ieder geval één van de gevaarlijkste isotopen, strontium-90, selectief opnemen en zo water veel minder radioactief maken.

Strontium-90: gevaarlijkste radioactieve isotoop
Kernenergie opwekken door kernsplijting heeft als vervelende eigenschap dat er het nodige radioactieve afval bij vrij komt. Drie procent van dit afval bestaat uit radioactieve atoomkernen. De meeste hiervan vallen of zeer snel uit elkaar (waardoor ze na enige weken geen gevaar meer opleveren) of juist na zeer lange tijd (waardoor de radioactiviteit maar langzaam vrijkomt).  Zo is er de radioactieve isotoop strontium-90 (Sr-90), waarvan in ongeveer dertig jaar de helft vervallen is tot het (eveneens radioactieve) yttrium-90.

Er zijn meer radioactieve isotopen die ongeveer met die snelheid vervallen, zoals cesium-137 (met Sr-90 0,3% van de totale massa van radioactief afval) en jodium-129 en technetium-99 (samen 0,1%). Chemisch lijkt strontium sterk op calcium, waardoor ons lichaam Sr als calcium behandelt. Het gevolg: ons lichaam bouwt het in onze botten in, waar het de rest van ons leven blijft zitten en zo nog na vele jaren kanker kan veroorzaken. Onze schildklier neemt de radioactieve jodium op, de reden dat mensen die blootgesteld zijn aan een nucleaire ramp, jodiumtabletten moeten slikken om juist dat te voorkomen. Technetium en cesium (wat chemisch gezien op kalium lijkt) zijn chemisch veel mobieler en worden weer binnen enkele weken resp. maanden uitgescheiden. De schade die deze isotopen aanrichten is hiermee beperkter.

Alg concentreert strontium
Geen wonder dat onderzoekers dus op zoek zijn naar een manier om strontium uit het milieu te verwijderen. De alg Closterium moniliferum, die wat weg heeft van een halve maan, kwam al snel in beeld, omdat deze alg in staat is actief strontium op te nemen uit oplossingen die zowel strontium als calcium bevatten. Onderzoekers van de Northwestern University en Argonne National Laboratory, beide in de VS, zijn er nu in geslaagd het geheim te ontrafelen.

Closterium moniliferum is in staat actief strontium op te nemen. Bron: Napier, UK
Closterium moniliferum is in staat actief strontium op te nemen. Bron: Napier, UK

Met een speciale techniek, X-ray fluorescence microprobe (XFM) kraakten ze het mechanisme. De alg dwingt het strontium in een kristal te kristalliseren, door het sulfaatgehalte in een vacuole (waarin het strontium is opgelost) te manipuleren. Met andere woorden: de alg gebruikt een sulfaatval. De alg gebruikt dus geen enzymen, maar een vrij eenvoudig chemisch proces (lagere oplosbaarheid) om het strontium te vangen.

Nu het mechanisme duidelijk is, kunnen de algen worden gebruikt om radioactief vervuilde omgevingen te helpen opruimen. Ze hebben alleen licht en water nodig om hun werk te doen. De algen uitzaaien is dus in principe voldoende, maar volgens de onderzoekers moet nog worden bepaald hoe resistent de algen tegen straling zijn voordat dit in een praktisch werkend systeem om kan worden omgezet. Ook moeten de algen natuurlijk worden geoogst en het strontium hieruit worden geconcentreerd.

Bronnen:
Minna R. Krejci, Brian Wasserman, Lydia Finney, Ian McNulty, Daniel Legnini, Stefan Vogt, Derk Joester, “Selectivity in biomineralization of barium and strontium,” J. Struct. Biol. 176, 192 (2011)
How Algae Use a “Sulfate Trap” to Selectively Biomineralize Strontium, Argonne lab press.comm. (2011)

Algenbloei ten zuiden van Cornwall. Zou algenbloei in de oceaan rond Antarctica de ijstijden hebben veroorzaakt?

‘Algenbloei door stof veroorzaakte ijstijden’

11 reacties / Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 12 augustus 2011

Volgens een nieuwe theorie is stof alles wat nodig is om de aarde in een ijstijd te storten. Als ijzerrijk stof in de zee wordt geblazen, bemest het opgeloste ijzer het plankton, dat daardoor op grote schaal kooldioxide op gaat nemen. DE oplossing voor het broeikaseffect?

Algenbloei door ijzerrijk stof

Algenbloei ten zuiden van Cornwall. Zou algenbloei in de oceaan rond Antarctica de ijstijden hebben veroorzaakt?
Algenbloei ten zuiden van Cornwall. Zou algenbloei in de oceaan rond Antarctica de ijstijden hebben veroorzaakt?

Al langer is bekend dat ijzerrrijk stof dat op de oceaanoppervlakte terecht komt, algenbloei in gang kan zetten.Als het aantal algen explodeert, nemen ze grote hoevelheden kooldioxide uit het water op. De oceaan neemt dit weer op uit de lucht, waardoor het kooldioxidegehalte van de lucht daalt.

Op dit moment is het klimaat vochtig en warm, waardoor er maar weinig stofstormen voorkomen. Uit waarnemingen aan ijsmonsters uit de Antarctische ijskap, die tot 800 000 jaar teruggaan, is gebleken dat de lucht tijdens de ijstijden twee keer stoffiger was dan nu.  Dit hing samen met lagere kooldioxide-gehaltes.

Algenbloei veroorzaakt temperatuurdaling
Vandaar dat veel klimaatwetenschappers vermoeden dat stofstormen wel eens de trigger kunnen zijn voor ijstijden. Als door voortdurende droogte grote landmassa’s uitdrogen, wordt de lucht veel stoffiger en komt dus ook meer ijzer in de oceanen terecht.  Op dit moment is de Zuidelijke Oceaan – de pooloceaan die Antarctica omspoelt – in veel opzichten een biologische woestijn.

De reden: ijzer ontbreekt. Zodra een grote hoeveelheid ijzer de zee in waait, ontstaat er echter een algenbloei die heel veel kooldioxide vastlegt. En, zoals bekend, een stevige daling van het CO2-gehalte in de lucht laat de temperatuur afnemen. Als aan het begin van een ijstijd er grote stofstormen ontstaan, waait dit stof in de Zuidelijke Oceaan, waar er algenbloei ontstaat.

Dit blijft tienduizenden jaren zo. Uiteindelijk wordt de koeling om nog niet goed begrepen redenen (mogelijk de Milankovic cyclus) afgeknepen en warmen de continenten weer op. Het gevolg: de stofstormen gaan liggen,  algen verhongeren en het kooldioxidegehalte stijgt weer.

Alfredo Martinez-Garcia en zijn collega’s van het Federale Zwitserse Instituut voor Technologie (ETH) in Zürich hebben mariene afzettingen geanalyseerd uit de een gebied in de Zuidelijke Atlantische Oceaan, iets ten noorden van de plaats waar de Zuidelijke Oceaan begint. Deze afzettingen zijn tot vier miljoen jaar oud en ondersteunen het idee dat ijzerrijk stof de boosdoener is. Periodes van heftige vergletsjering blijken namelijk precies samen te vallen met de vorming van stof[1].

Sommige onderzoekers denken dat door veel ijzerrijk stof  in de Zuidelijke Oceaan te kieperen, het effect van een ijstijd is na te bootsen[2]. Maar zijn wij nou de enigen die een nieuwe ijstijd, getriggerd als het experiment uit de hand loopt,  een stuk akeliger vooruitzicht vinden dan een geringe opwarming van de aarde?

Bronnen
1. A. Martinez-Garcia et al., Southern Ocean dust–climate coupling over the past four million years, Nature (2011), gratis artikel
2. ‘Stop emitting or geoengineering could be our only hope’ – Royal Society proceedings (2009)

Enkele algensoorten vormen een overvloedige bron van biobrandstof.

Algen produceren biodiesel en zuiveren water

2 reacties / Wereld, Wetenschap / Door / 15 april 2011

Waterzuivering en nog brandstof ook. Het klinkt te mooi om waar te zijn, maar toch is dat precies wat bereikt is met een proefinstallatie.Verandert de waterzuivering in een benzinepomp?

Een grote stad produceert onafzienbare hoeveelheden afvalwater, per inwoner al gauw honderdvijftig liter per dag. Het kost veel geld en moeite om deze te zuiveren. Het kost al evenveel geld en moeite om een gunstig substraat voor algen te produceren die biobrandstof produceren. Geen wonder dat er veel onderzoek wordt gedaan om dit op een slimmere manier te kunnen doen.
Eric Lannan en zijn collega’s van de technische universiteit van Rochester (in de buurt van New York) kwamen met het ei van Columbus. Ze zijn er in geslaagd met behulp van drie algensoorten: Scenedesmus, Chlorella en Chlamydomonas, een op afvalwater lijkende brij in drie dagen voor 99% te zuiveren van nitraten en fosfaten, gewoonlijk een ernstig probleem bij lozing op het oppervlaktewater. Hiermee is het water voldoende zuiver om zonder ecologische schade te kunnen lozen in rivieren. Ook kunnen van de algen biobrandstoffen worden vervaardigd.

Enkele algensoorten vormen een overvloedige bron van biobrandstof.
Enkele algensoorten vormen een overvloedige bron van biobrandstof.

Het proces vindt plaats in twee stappen. In de eerste stap wordt het (reeds eerder behandelde) rioolwater ingezaaid met algen. Deze slurpen in de eerste drie dagen een maximale hoeveelheid nitraten en fosfaten op en produceren in het proces lipiden – vetten dus die chemisch sterk lijken op de koolwaterstoffen in brandstof. In de volgende drie dagen produceren de uitgehongerde algen nog veel meer lipiden. Na afloop  worden de vetten uit ze geperst en omgezet in biobrandstof. De samengeperste koek die overblijft, verdwijnt in een methaantank om vergist te worden tot biogas of kan worden gebruikt om ethanol (alcohol) te maken, een andere biobrandstof.

De onderzoekers werken nu aan een vervolgproject waarbij de algen worden gekweekt in vierduizend liter vergist afvalwater. Naar verwachting kan het proces worden opgeschaald tot er duizenden kubieke meters per dag water worden verwerkt. New York ligt ter hoogte van Madrid, waardoor er ook in de winter nog redelijk veel zonlicht voor de algen is. Afvalwarmte die vrij komt bij het verbranden van biobrandstof om hiermee elektriciteit op te wekken, kan dienen om de algenvijvers in de winter op temperatuur te houden. Omdat de hoeveelheid zonlicht in Nederland in de winter te laag is, is deze vorm van afvalwaterzuivering hier helaas alleen in de zomer geschikt.

Deze toepassing is mede interessant omdat algen verschillende malen meer biobrandstof per vierkante meter opleveren dan traditionele gewassen: tussen de 6,6 en 9,4 liter per jaar. Kortom: op deze manier verandert een dure, ruimteverslindende rioolwaterzuiveringsinstallatie in een winstgevende groene benzinepomp.

Bron
New Scientist

Zee-ijs huisvest een dichte algenmat. Zou dit ook niet voor het ijs van Jupitermaan Europa kunnen gelden? Bron: Antarctic Sun

IJsalgen manipuleren ijs

2 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 7 maart 2011

In zee-ijs bevinden zich kleine kanaaltjes zout water waarin algen en andere eencelligen leven. Naar blijkt, hebben de algen deze zelf geconstrueerd. Onder het ijs houdt zich een ingewikkeld ecosysteem op. Zouden zich op ijswerelden als Jupitermaan Europa ook dergelijke netwerken kunnen ontwikkelen?

IJsbergen huisvesten algenkolonies
Al langer was bekend dat zee-ijs kleine hoeveelheden zout water bevat. Tot voor kort werd gedacht dat de microscopische kanalen met zout water van nature in het ijs voorkomen. Dat blijkt niet het geval: de algen vormen deze kanalen door het uitscheiden van suikers die het vriespunt verlagen. Als gevolg daarvan kunnen de ijsalgen het gehalte aan kooldioxide, voedingszouten en andere essentiële stoffen in het ijs met vele tientallen procenten laten stijgen.

Zee-ijs huisvest een dichte algenmat. Zou dit ook niet voor het ijs van Jupitermaan Europa kunnen gelden? Bron: Antarctic Sun
Zee-ijs huisvest een dichte algenmat. Zou dit ook niet voor het ijs van Jupitermaan Europa kunnen gelden? Bron: Antarctic Sun

Vooral in het voorjaar, als het ijs smelt, zijn deze algen de eerste organismen die van de toegenomen hoeveelheid zonlicht gebruik kunnen maken om zich te vermenigvuldigen en zo veel zuurstof voor de zee onder het ijs te produceren, ongeveer zestig procent van de totale productie in die tijd. Aan het einde van de lange poolwinter is zuurstof zeer schaars onder water, zodat deze verse stroom zuurstof effectief het groeiseizoen start. Onder drijfijs hangen vaak lange slierten algen zoals Melosira arctica. Soortgelijke slierten koloniseren de kanaaltjes in ijs. Pas later in de lente, als het ijsoppervlak breekt en er grote stukken open water ontstaan kunnen vrijlevende algen en dergelijke de fakkel overnemen.

Als het klimaat opwarmt betekent dit waarschijnlijk dat de algen in staat zijn zich aan te passen aan andere groeiomstandigheden, zelfs het waarschijnlijk beter zullen doen en meer voedsel voor de rest van het ecosysteem produceren dan nu. Voor veel arctische ecologen is dit een opluchting.

IJswerelden
Hiermee is ook aangetoond dat ijs een minder ongastvrije omgeving is dan het lijkt. IJsrijke planeten en manen kunnen dus in principe leven herbergen, gesteld dat het leven eenmaal zich ontwikkeld heeft en in staat is om van een andere bron te leven. De lichtintensiteit (zonneconstante) op de baan van Jupiter is een dertigste van die van de aarde. Dit is de lichtintensiteit enkele tientallen meters onder water op aarde. In principe zouden algen het dus uit moeten kunnen houden in het ijs van Europa, al zullen ze dan wel hoge doses radioactieve straling moeten kunnen verdragen. Zouden algen de rode verkleuringen in de buurt van de linae op het oppervlak van Europa veroorzaken?

Bronnen
Science Daily